Satellitenbasiertes Monitoring von Pinguinen Fritz Hertel Fachgebiet II Schutz der Arktis und Antarktis

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1 Für Mensch & Umwelt Satellitenbasiertes Monitoring von Pinguinen Fritz Hertel Fachgebiet II Schutz der Arktis und Antarktis

2 Inhalt 1) Ausgangslage / Hintergrund 2) Forschungs- und Entwicklungsvorhaben 3) Methoden und Ergebnisse 4) Zusammenfassung / Ausblick D-GEO Workshop Das Umweltbundesamt und GEOSS Potenziale, Beiträge und Nutzung 2

3 Ausgangslage / Hintergrund Gesetzlich: Zuständigkeit des UBA für Überwachung des Umweltzustands in der Antarktis ( 14 AUG) Politisch: Antarktis-Vertragsstaaten ringen um die Einführung von Monitoringprogrammen; deutscher Beitrag Fachlich: Klimawandel in der Antarktis, Ökosystemschutz: Pinguine als Indikatoren Veränderungen von Populationen finden großräumig statt Problem: Wie Pinguinkolonien finden und monitoren? Fernerkundung als mögliche Lösung Initiierung von UFOPLAN-Projekten (ab 2010) D-GEO Workshop Das Umweltbundesamt und GEOSS Potenziale, Beiträge und Nutzung 3

4 Forschungs- und Entwicklungsvorhaben A) Abgeschlossene Vorhaben: Pilotstudie Monitoring von Pinguinkolonien, 10/2011 bis 05/2012 Monitoring von Pinguinkolonien I, 07/2013 bis 06/2016 B) Laufendes Vorhaben: Monitoring von Pinguinkolonien II, FKZ , 06/2016 bis 05/2019 Auftragnehmer: Thüringisches Institut für Nachhaltigkeit und Klimaschutz (ThINK GmbH) Jena, Projektleiter: Dipl. Geograf Osama Mustafa D-GEO Workshop Das Umweltbundesamt und GEOSS Potenziale, Beiträge und Nutzung 4

5 Ziele der FuE-Vorhaben Fernerkundliche Methodenentwicklung A) Satellitenbasiert Sensoren Klassifikationen B) Groundtruth-Methoden GPS-basierte Kartierung Drohnenfotografie Terrestrische Fotografie C) Koloniedynamik /Phänologische Untersuchungen Intrasaisonale Änderungen Intersaisonale Änderungen Artunterscheidung (spektral, texturell) D-GEO Workshop Das Umweltbundesamt und GEOSS Potenziale, Beiträge und Nutzung 5

6 Räumliche und zeitliche Datenverfügbarkeit Verteilung der Sichtbarkeit für optische Fernerkundungssysteme in Abhängigkeit von Tageslänge und Wolkenbedeckung zw. 60 und 90 S zwischen Nov. und Feb.: bis zu 21 Std. tägliche Sichtbarkeit in der zentralen kontinentalen Antarktis nur 3 Std. Sichtbarkeit in der nördlichen Küstenregion / Eröffnungsvortrag - Langer Tag der StadtNatur 6

7 Satellitenbasiert Sensoren Spektrale Auflösung Panchromatisch (1 Band) Multispektral (4-15 Bänder) Hyperspektral (> 50 Bänder) RADAR Worldview 1 Worldview 2-3 GeoEye Quickbird RapidEye Sentinel 2 Landsat 7-8 EO 1 TerraSar-X Guanobedeckung der Kolonien detektierbar, keine Pinguine! D-GEO Workshop Das Umweltbundesamt und GEOSS Potenziale, Beiträge und Nutzung 7

8 Satellitenbasiert Sensoren Räumliche Auflösung Multispektral Satellitensensoren Hochauflösend < 1 m Bodenauflösung Worldview 2-3 GeoEye Quickbird 0,5 m 10 m Mittelauflösend m Bodenauflösung Sentinel 2 Landsat 7-8 alle Koloniegrößen detektierbar ABER nicht flächendeckend und teuer nur Kolonien > 1000 Brutpaare detektierbar ABER flächendeckend und kostenfrei D-GEO Workshop Das Umweltbundesamt und GEOSS Potenziale, Beiträge und Nutzung 8

9 Satellitenbasiert - Klassifikationen Pixelbasierte Klassifikationen Objektbasierte Klassifikationen unüberwacht überwacht K-Means ISODATA Spectral-Angle-Mapper - SAM Adaptive-Coherence-Estimator - ACE Maximum-Likelihood Decision Tree Neuronale Netzwerke Ratios Subpixel-Analyse Envi - Feature Extraction D-GEO Workshop Das Umweltbundesamt und GEOSS Potenziale, Beiträge und Nutzung 9

10 Satellitenbasiert - Klassifikationen D-GEO Workshop Das Umweltbundesamt und GEOSS Potenziale, Beiträge und Nutzung 10

11 Groundtruth-Methoden GPS-basierte Kartierung Bisherige Standardmethode Begehung und Kartierung der gesamten Kolonie mit Feldcomputer und GPS Präzise aber aufwändig und mit Störung verbunden Extrapolation von Teilkartierungen unpräzise aufgrund starker Dichteschwankungen Breeding pair number Gentoo- & Adélie penguins Chinstrap penguins Season Adélie penguin (P. adeliae) Chinstrap penguin (P. antarctica)

12 Groundtruth-Methoden Drohnenfotografie Herausforderung: Zähl- und Kartierdaten überwiegend von Kolonien mit < BP Die meisten Pinguine brüten aber in Kolonien mit BP -> kein groundtruth für die wichtigste Größenordnung -> Drohnen können diese Lücke schließen Multicopter Geringe Reichweite Hohe Nutzlast Starrflügler Hohe Reichweite Geringe Nutzlast

13 Groundtruth Methoden Drohnenfotografie Produkte: Orthofotomosaik + Digitales Oberflächenmodell Auswertung: Ableitung der Brutpaare über Individuenzahl (Nester nicht eindeutig)

14 Groundtruth-Methoden Drohnenfotografie RGB visible Unterschrift light λ: nm UV ultraviolett λ: nm NIR near infrared λ: nm Thermal long wavelength infrared λ: 7,5 15 μm Multispektrale Aufnahmen (RGB, NIR, UV) RGB: hohe räumliche Auflösung und Informationsdichte, geringes Sensorgewicht NIR: Vegetation hebt sich rel. deutlich ab Thermal: hohes Potential bei verbesserten technischen Parametern in Aussicht

15 Groundtruth-Methoden Terrestrische Fotografie Fotoaufnahmen von erhöhten Geländepunkten am Boden Einzelfotos werden zu Panoramen zusammen gefügt und ausgezählt Vorteil: schnell, einfach, preiswert Nachteile: Verdeckung durch Gelände und Tiere, vollständige Abdeckung schwierig, unterschiedliche Perspektive/Entfernung 15

16 Groundtruth-Methoden Vergleich

17 Koloniedynamik / Phänologische Untersuchungen Intrasaisonale Änderungen Herausforderung: Zu Welchen Aufnahmezeitpunkten sind Satellitenaufnahmen repräsentativ? Überblick über die Aufnahmezeitpunkte der Satellitenbilddaten sowie Untersuchungszeitpunkte der einzelnen Methoden für die intrasaisonalen Arbeiten an der Kolonie Ardley Island in der Saison 2014/15 28-Oct Nov Dec Dec Jan Feb Feb-2015 High resolution images UAV UAV (test area only) Nest control Ground mapping Abbildung 1: Überblick über die Aufnahmezeitpunkte der Satellitenbilddaten sowie Untersuchungszeitpunkte Verwendete Daten: der Hochauflösenden Satellitenbilder Mittelauflösenden Satellitenaufnahmen UAV-Mosaike Nestkontrolle (zeitl. Referenz) GPS-basierte Kartierung (räuml. Referenz)

18 Area [m² x 1 000] Koloniedynamik / Phänologische Untersuchungen Intrasaisonale Änderungen der Guanofläche Ardley Island (maritime Antarktis) Nov. 11 th 2014 Nov. 30 th Jan. 15 th Feb. 3 th Oct 17-Nov 7-Dec 27-Dec 16-Jan 5-Feb 25-Feb Guano - saison 2014/15 Guano - saison 2015/16

19 Area [m² x 1 000] Koloniedynamik / Phänologische Untersuchungen Intrasaisonale Änderungen der Guanofläche Ardley Island (Maritime Antarktis) Ergebnisse Früh in der Saison keine Änderungen bei der Flächengröße Starker Anstieg bis Januar Abnahme der Guanobedeckung in der späten Saison durch Abnahme des Guano-Input Oct 17-Nov 7-Dec 27-Dec 16-Jan 5-Feb 25-Feb Guano - saison 2014/15 Guano - saison 2015/16

20 Koloniedynamik /Phänologische Untersuchungen Intrasaisonale Änderungen Vergleich Brutphänologie mit Guanofläche Guanofläche nimmt erst in der Kindergartenphase deutlich zu Satellitenaufnahmen die vorher aufgenommen wurden, sind vergleichbar Zeitpunkt wann Zählung/Satellitenaufnahme durchgeführt wird ist entscheidend Derzeit: Entwicklung von Anpassungsfunktionen

21 Guano covered area [m² x 1 000] Koloniedynamik / Phänologische Untersuchungen Intrasaisonale Änderungen der Guanofläche Cape Bird (kontinentale Antarktis) Saison 2013/ Saison 2014/ Saison 2015/ Sep 23-Oct 22-Nov 22-Dec 21-Jan 20-Feb Ergebnis Keine signifikanten Änderungen der Guanoflächen zur Hauptbrutzeit über die 3 untersuchten Jahre

22 Koloniedynamik / Phänologische Untersuchungen Intersaisonale Änderungen Cape Bird (kontinentale Antarktis) Herausforderung: Wie schnell reagiert das in Satellitenaufnahmen ableitbare Signal auf Dichteänderungen zwischen den Brutsaisons? Kaum Änderung d. Koloniefläche an 3 Zeitpunkten, obwohl Brutpaarzahlen zw und 2014 verdreifacht kein Zusammenhang zwischen detektierter Guanofläche und Brutpaarzahl Dichteänderung innerhalb der Koloniegrenzen?

23 Koloniedynamik / Phänologische Untersuchungen Intra- und intersaisonale Änderungen Wie stark beeinflusst der intrasaisonale Zeitpunkt der Satellitenaufnahme das Ergebnis? Wie gut bildet das Signal einer Satellitenaufnahme intersaisonale Veränderungen ab? Intrasaisonale Variationen Intersaisonale Variationen Maritime Antarktis Starker Einfluss auf das Ergebnis Kann erst bestimmt werden wenn die Intrasaisonale Variation parametrisierbar sind Kontinentale Antarktis Nur geringer Einfluss auf das Ergebnis Werden bisher nur mit starker Verzögerung abgebildet

24 Koloniedynamik / Phänologische Untersuchungen Artunterscheidung (spektral) Herausforderung: Lassen sich die Arten anhand des Guanospektrums unterscheiden? 2 Pinguinarten (Adelie- und Eselspinguine) Aufnahmen mit Fotobox, multispektral und Munsell Colour Charts Sichtbares Licht (RGB), Nahinfrarot u. UV Bisher keine methodisch verwertbaren Unterschiede

25 Koloniedynamik / Phänologische Untersuchungen Artunterscheidung (texturell) Adelie Penguin Chinstrap Penguin Gentoo Penguin Artunterscheidung am UAV-Mosaik begrenzt möglich Eselspinguine an weißer Markierung erkennbar Küken an Farben erkennbar nur bei geringen Flughöhen möglich Nestabstand nicht eindeutig

26 Sonstiges Veränderung der Abdeckung von Sentinel-2 (ESA) Seit 2015, ursprünglich keine Aufnahmen der Antarktis geplant (bis 56 S) Erst Flächendeckende Aufnahmen durch Initiative der Action Group Development of a satellite-based, Antarctic-wide, remote sensing approach to estimate bird and animal populations im Rahmen der SCAR OSC in Kuala Lumpur 2016 Im Ergebnis: 2016/17 flächendeckende Aufnahme in mehreren Kampagnen der Antarktis (34 Aufnahmen von King George Island) Ab 2017/18 regelmäßig D-GEO Workshop Das Umweltbundesamt und GEOSS Potenziale, Beiträge und Nutzung 26

27 Zusammenfassung / Ausblick Mit Hilfe der Fernerkundung lassen sich selbst in der Antarktis Fragen nach der Größe und zukünftig auch der Dynamik von Tierpopulationen beantworten Pinguinmonitoring: die Methodenentwicklung ist bereits weit fortgeschritten (für Kaiser- und den Adeliepinguin gibt es erste globale Bestandsschätzungen, die sich auf Fernerkundung stützen) Mit einer Kombination von mittel- und hochaufgelösten Bildern ließe sich ein (globales) Pinguinmonitoring mind. auf Gattungsebene realisieren Grenzen/Herausforderungen: Artunterscheidung, Bestimmung der Populationsgröße kleiner Kolonien, Phänologie, Genauigkeit, u.a. Ziel: globaler Zensus und Monitoring für die wichtigsten vier antarktischen Pinguinarten D-GEO Workshop Das Umweltbundesamt und GEOSS Potenziale, Beiträge und Nutzung 27

28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! / Hier steht der Veranstaltungstitel in 12 Punkt 28